Fisica 3 - Eletrostatica

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1 INTRODUÇÂO
	Os fenômenos eletrostático são conhecidos desde dos tempos dos gregos. Na aquela época , observava -se que ao atritar âmbar com pedaço de lâ era possível atrair pedaços de fibras vegetais. E, por conseguinte este fenômeno foi considerado como algo natural.
	Em 1600, o médico inglês William gilbert publicou o seu primeiro trabalho a respeito da eletricidade onde fazia referência às cargas elétricas geradas por atrito. Após suas pesquisas, se deu origem às primeiras máquinas eletrostáticas que produziam eletricidade pelo atrito de um disco de âmbar entre dois pedaços de pele de carneiro
	Em 1752, Benjamin franklin chegava à conclusão de seus trabalhos sobre eletricidade atmosférica. No qual provava a existência de cargas elétricas no ar, apartir destes conceitos básicos sobre a natureza da eletricidade concluiu-se que as máquinas eletrostáticas produziam e armazenavam cargas elétricas sem precisar movimentá-las devido às propriedades isolantes dos materiais usados em sua construção. 
	Este fato foi aproveitado para a construção dos geradores eletrostáticos do tipo van de graaff , que teve surgimento em 1930, destinam-se a produzir voltagens muito elevadas para serem usadas em experiências de física.
	Portanto, eletrostática é o ramo da física responsável por efetuar o estudo, descrição e análise dos elétrons, prótons e nêutrons em seu estado de repouso, dando especial ênfase aos elétrons e sua carga elétrica. Estudando desde as cargas elétricas, até os fenômenos eletrostáticos.
	Neste experimento direcionou-se à análise e observação de tais fenômenos, tendo como principal objetivo, verficar os processos de eletrização, medir a força eletrica e avaliar o gerador de Van de Graff.
2 BASE TEÓRICA
2.1 O ÁTOMO
	
	Toda matéria é formada por partículas pequenas denominada átomo. Acreditava-se , que antigamente esses átomos eram macios e divisveis. Com os avanços nas pesquisas , foi comprovado que o átomo é descontínuo, sendo formado por partículas menores e estas , ainda, por subpartículas. Um átomo é constituído de três partículas tidas como “elementares”, entretanto este conceito atualmente não é mais válido, em razão de que foi constatado por meio do Grande Colisor de Hádrons, que existem partículas menores que os prótons. No entanto, por questões didáticas um átomo mantém-se como sendo composto por três partículas elementares, caracterizadas pelas suas cargas elétricas e massas, são elas: 
	Próton – partícula de carga elétrica positiva (+) situada no núcleo do átomo, junto aos nêutrons. Tem massa convencionada em 1, sendo sua carga real 1,673·10−27 Kg. É constituído de dois quarks up e um quark down. Possui carga de 1,6·10-19 Coulombs (C), assim como os elétrons, porém estes possuem carga contrária aos prótons.
 
	Nêutron– partícula de carga elétrica neutra, encontra-se no núcleo junto com os prótons. Tem massa convencionada em 1, sendo sua massa real 1,675·10−27 Kg. É constituído por dois quarks down e um quark up. Possui carga de (-0,4±1,1)·10−21 , sendo esta teoricamente nula. Indispensável em todos os núcleos atômicos, pois este é responsável por mantê-lo estabilizado, não estando presente apenas no núcleo do isótopo deHidrogênio1 H. 
	Elétron – partícula de carga elétrica negativa (-), que se dispõe em orbita ao redor do núcleo, na eletrosfera, o que gera o denominado campo eletrônico, o qual pode ser eletrostático ou eletrodinâmico. Tem massa real de 9,1093897·10-31Kg, que é teoricamente descartada. A carga dos elétrons é oposta a dos prótons, entretanto é numericamente igual à carga dos últimos em módulo, sendo igual a --1,6·10-19C. Para um átomo ser “estável” é indispensável que o número de carga dos prótons e elétrons seja igual, é importante salientar que apesar de cargas iguais, as massas são distintas. A eletrosfera é atraída pelo núcleo devido às cargas elétricas opostas. A eletrosfera tem carga elétrica negativa equivalente à carga elétrica positiva dos prótons do núcleo. Por isso, quando há uma mesma quantidade de prótons e elétrons diz-se que o átomo é eletricamente neutro.
2.2 CONSERVAÇÃO DA CARGA
	Quando se esferam dois corpos, um deles ficam com um excesso de elétrons e com carga elétrica negativa; o outro fica com carga liquida positiva. A carga liquida dos corpos permanece constante; isto é, a carga se conserva. A lei da conservação da carga é uma lei fundamental da natureza. Em certas interações de particulares elementares, há criação ou aniquilamento de partículas carregadas, de elétrons por exemplo. Em todas elas, porém, há uma produção ou aniquilamento de quantidade igual de carga de sinal oposto, de modo que carga líquida do universo se mantém constante. 
2.3 Lei de Coulomb
	Esta lei, formulada por Charles Augustin Coulomb, refere-se às forças de interação (atração e repulsão) entre duas cargas elétricas puntiformes, ou seja, com dimensão e massa desprezível. A intensidade da força elétrica de interação entre cargas puntiformes é diretamente proporcional ao produto dos módulos de cada carga e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa. Ou seja, para se determinar se estas forças são de atração ou de repulsão utiliza-se o produto de suas cargas. Portanto, podemos escrever a equação da lei de Coulomb como: 
	A constante de proporcionalidade k chamada de constante de Coulamb e Ɛo a permissividade do vácuo foram obtidas, originalmente ,utilizando a balança de Coulamb.
	
2.3 ELETRIZAÇÃO
	Eletrizar um corpo neutro é fazer com que o número de cargas positivas seja diferente do número de cargas negativas. Isso só é possível acrescentando ou retirando elétrons do corpo, tendo em vista que as cargas positivas, das quais os prótons são os portadores, encontram-se no núcleo dos átomos sendo impossível movimentá-las. São três as maneiras pelas quais é possível eletrizar um corpo eletricamente neutro, por atrito, contato e indução.
ELETRIZAÇÃO POR ATRITO
	 Ao atritarmos dois corpos de substâncias diferentes, inicialmente neutros, haverá a transferência de elétrons de um para o outro, de modo que um estará cedendo elétrons, ficando eletrizado positivamente, ao passo que o outro estará recebendo elétrons ficando eletrizado negativamente. A eletrização por atrito é mais intensa entre corpos isolantes do que entre condutores, pois nos isolantes as cargas elétricas em excesso permanecem na região atritada, ao passo que nos condutores, além de se espalharem por todo ele, há uma perda de carga para o ambiente.
	Figura 2.3- Eletrização por Atrito
ELETRIZAÇÃO POR CONTATO 
 	A teoria do contato é baseada no estudos de Alexandre Volta que descobriu que quando dois condutores diferentes entram em contato surge uma pequena diferença de potencial entre ambos, denominada potencial de contato. Quando dois materiais são colocados em contato com as cargas , elétrons fluem de um lado para o outro até que o equilíbrio eletrostático seja atingido. Portanto,quando dois corpos condutores entram em contato, sendo um neutro e outro carregado, ambos ficam carregados com cargas de mesmo sinal, têm -se um bastão carregado e uma esfera neutra inicialmente, ao tocar- e a esfera com o bastão verifica-se que a esfera adquire a carga de mesmo sinal daquela presente no bastão. 
Figura 2.3.1 – Eletrização por contato
 ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO
	A forma mais efetiva de eletrização é feita por indução, permitindo a eletrização de um condutor isolado, como mostra a Fig 2.3.2. O processo se inicia com a separação de cargas de um corpo neutro, na presença de um campo elétrico produzido, por exemplo, por um bastão carregado. A carga de um dado sinal pode ser transferida para a Terra, permanecendo, como na figura 2.3.2 o corpo eletrizado.
	A eletrização por indução de corpos isolantes também se verifica mas com menor intensidade pois os elétrons não se movimentam como nos condutores mas há, em cada molécula, uma pequena separação entre as cargas positivas e negativas denominada de polarização. Verfica-seque também neste caso o efeito é resultante é de uma atração entre os corpos.
Figura 2.3.2 – Eletrização por indução em corpos metálicos
2.4 O ELETROSCÓPIO DE FOLHAS
	O eletroscópio como mostra a figura 2.4.1, é um dispositivo para identificar a presença se carga elétrica., ou seja, identificar se um corpo está eletrizado. Ele é constituido por duas folhas deogadas de ouro estão presas a uma barra condutora provida de pequenas na ponta. As folhas e a barra estão isoladas do restante do instrumento. Quando sem carga elétrica em acesso, as folhas ficam em repouso, na vertical. Quando a pequena esfera é tocada por um bastão com excesso de carga negativa, por parte deste excesso de carga passa para a barra e distribui-se pelas folhas de ouro que então, se separam em virtude da repulsão das cargas negativas que adquiriram. Se, com as folhas em repouso, a pequena esfera for tocada por um bastão de vidro carregado, as folhas também se afastam. Deste caso, porém, a carga positiva do bastão de vidro atraí elétrons do metal da esfera, e as folhas ficam, cada qual com carga líquida positiva. 
 
	Figura 2.4 – Eletroscopio de folhas 
2.5 Pêndulo Eletrostático
	 O Pêndulo Eletrostático é um dispositivo que possibilita a detecção do excesso de cargas elétricas em um corpo. Um dos primeiros objetos utilizados com o intuito de detectar o excesso de cargas foi o Versorium desenvolvido pelo médico e físico britânico Willian Gilbert (1544 - 1603) por volta de 1600. Porém, um dos primeiros eletroscópios em formato de pêndulo foi desenvolvido cerca de 150 anos mais tarde, em 1754 pelo físico britânico Jonh Canton (1718 –1772) e era inicialmente constituído de um par de bolas pequenas e leves, de substância não condutora, suspensas por fios de seda fixados a um gancho isolado de uma base. Este dispositivo de Canton foi amplamente utilizado em diversas áreas que envolviam a eletricidade. Se o ambiente estivesse eletrizado, as bolas seriam repelidas entre si, como mostra na figura 2.5.1. Se, por exemplo, a bola for eletrizada positivamente, aproxima-se dela o material com carga desconhecida. Se esta esfera atrair-se para o corpo este estará eletrizado negativamente; se ao contrário, a esfera repelir-se, o corpo estará eletrizado positivamente.
Figura 2.5 – Pendulo Eletrostático
3 OBJETIVO
3.1 OBJETVO GERAL
	Analisar as cargas elétricas de mesmos sinal que se repelem e de sinais opostos que se atraem, através da eletrização por atrito entre materiais diferentes.
3.2 OBJETIVO ESPECÌFICO
	Verificar o fenômeno eletrostático da eletrização: atrito, contado e indução, observar seus efeitos sob diversos aspectos, medir a força eletrostatica e avaliar o gerador de Van de Graff.
 
4 METODOLIGIA 
4.1 Materiais
Bastão de vidro
Canudo de plástico
Eletroscopio de Folhas
Pano de lã
Pendulo Eletrostatico
Régua 
4.2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL E RESULTADOS
EXPERIMENTO 1 : ELETRIZAÇÃO POR CONTATO - ELETROSCÓPIO
1º PASSO: Atrita-se o canudo de plástico com a flanela, depois aproxima-se o canudo eletrizado da ponta superior do fio de cobre do eletroscópio, e em seguida se observa que as folhas de alumíno na ponta inferior dentro do eletroscópio começam a se repelir mediante as cargas serem opostas.
Figura 4.2.2 – Eletrização pelo canudo de plástico.
2º PASSO: Atrita-se o bastão de vidro com a flanela, depois aproxima-se o canudo eletrizado da ponta superior do fio de cobre do eletroscópio, e em seguida se observa que as folhas de alumíno na ponta inferior dentro do eletroscópio elas não se movem nem se repelem, pois a condutividade elétrica do bastão de vidro é muito pequena.
Figura 4.2.2 – Eletrização pelo canudo de vidro.
EXPERIMENTO 2 : ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO - PÊNDULO ELETROSTÁTICO
1º PASSO: Atrita-se o canudo de plástico com a flanela, em seguida aproxima-se o canudo da esfera de isopor na ponta do fio, após isto, fazer movimento longitudinalmente para a esquerda (não puxar para cima). Anotar com o transferidor de grau o ângulo máximo que forma até que a esfera se solte do canudo de plástico. A partir do valor deste ângulo, será possível calcular o valor da condutividade elétrica formada em razão do atrito entre o canudo de plástico e a flanela.
			Figura 4.2.3- Eletrização por canudo de plástico.
RESULTADO DA FORÇA ELETROSTATICA – Apartir da angulação do pendulo
- Ângulo Referido : 40o
- Massa do corpo : 0,01 g
- Gravidade: 9,81
- Formula : Fel = m* g* tgΘ
Aplicando a formula com os resultados obtidos, temos:
Fel = m* g* tgΘ
Fel = 0,01 * 9,81 * 0,84 
Fel = 0,082 N
2º PASSO
Atrita-se o bastão de vidro com a flanela, em seguida aproxima-se o bastão da esfera de isopor na ponta do fio, após isto, fazer movimento longitudinalmente para a esquerda (não puxar para cima). Anotar com o transferidor de grau o ângulo máximo que forma até que a esfera se solte do bastão de vidro.
A partir do valor deste ângulo, será possível calcular o valor da condutividade elétrica formada em razão do atrito entre o bastão de vidro e a flanela.
			Figura 4.2.4- Eletrização por bastão de vidro
 ELETROSTATICA – Apartir da angulação do pendulo
- Ângulo Referido : 35o
- Massa do corpo : 0,01 g
- Gravidade: 9,81
- Formula : Fel = m* g* tgΘ
Aplicando a formula com os resultados obtidos, temos:
Fel = m* g* tgΘ
Fel = 0,01 * 9,81 * 0,70 
Fel = 0,068 N
CONCLUSÂO
	No experimento realizado em laboratório, obtivemos diversos e distintos resultados. Observando -se a natureza elétrica da matéria, e suas propriedades. Abstraiu-se dos experimentos que a matéria possui propriedades elétricas e que corpos que possuem carga se relacionam, de modo que os que possuem cargas de mesmo sinal se repelem e os que possuem cargas de sinais opostos se atraem. Sendo assim, comprovando a teoria, atritando materiais simples fazendo com que um deles perdesse elétrons, e deixando-o com excesso de carga. 
	Nos experimentos sobre Eletrização por contato no eletroscopio de folhas notamos que as cargas elétricas de objetos quando atritados, variam de acordo com o material utilizado. Observou-se que a eletrização no vidro é mais dificil, devido alguns fatores que influenciam. Entretanto, ao eletrizar o bastão de plastico com o papel e lã, consta – se o repelimento, por ficarem carregadas com cargas de mesmo sinal os dois lados da folha de aluminio. 
	Já no experimento do pêndulo eletrostático observamos que inicialmente é carregado com cargas oposta, pois ao aproximarmos eles se a traíram e depois de se tocarem se repeliram, devido ter adquirido a carga de mesmo sinal. Através do experimento foi possível também calcular a força eletrostática pelo ângulo referido.Observando que o canudo de plastico tem uma condutividade maior do que á do vidro.
	Portanto, concluímos que a transferência de elétrons de um corpo para o outro é possível, assim como sua estabilização após a transferência. 
Referencias Bibliográficas
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Impressora laser, <http://www.techtudo.com.br/noticias/noticia/2015/01/como-funciona-uma-impressora-laser-entenda-tecnologia.html> Acessado em 29 /08/2017 às 20:50 m.
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HALLIDAY, D., RESNICK, R. & WALKER, J. Fundamentos de Física 3 –Eletromagnetismo. 
7a ed. Rio Janeiro: LTC, 2007.
http://efisica.if.usp.br/moderna/materia/particulas-fundamentais/, particula Fundamnetais
http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrostatica/leidecoulomb.php
 ELETROMAGNETIISMO FISICA 3, - http://coral.ufsm.br/cograca/eletro12.pdf
CALDAS, J. Museu Interativo da Física da UFPA: Ação educativa com ênfase em divulgação e popularização da História e da Filosofia da Ciência para o ensino de Física. 2015. Trabalho de Conclusão de Curso. Faculdade de Física. Universidade Federal do Pará, Belém, 2015. 
ANEXO A - GERADOR DE VAN DE GRAFF
	O físico americano Robert Van de Graaff construiu o primeiro destes geradores, em 1931, com o propósito de produzir uma diferença de potencial muito alta, na ordem de 20 milhões de volts, para acelerar pa rtículas carregadas que se chocavam contra blocos fixos. O resultado de tais colisões informam as características dos núcleos do material que constituem o bloco. 
	O Gerador de Van der Graaff é um gerador eletrostático que possui uma correia móvel – acoplada a uma roldana de plástico – utilizada para transportar cargas elétricas que são acumuladas em uma esfera metálica. Esta correia é movimentada por um pequeno motor. A correia atrita-se na parte inferior com uma escova metálica ligada ao eletrodo negativo ou positivo de uma fonte. Na parte superior, a correia toca uma segunda escova, que está em contato com a camada esférica do gerador. O campo eletrico gerado pela esfera, penetram na correia, deixando a esfera do gerador eletricamente carregada e capaz de gerar altas tensões elétricas ao seu redor. 
 
Figura A- Esquema do Gerador Van de Graff
Figura B- Gerador Van de Graff
ANEXO B - APLICAÇÕES DE ELETROSTÁTICA
	Podemos observar que a eletrecidade estática está presente em nosso dia–a -dia, desde atrito comum ao pentear os fios de cabelo em um dia seco,onde os fios repelem-se uns aos outros. Ao caminhar sobre um tapete de lã, o atrito dos sapatos com o tapete pode gerar cargas que se acumulam em nosso corpo. Portanto, tocar na maçaneta de uma porta, nessas condições, poderá saltar uma faísca, produzindo um leve choque. Além disso, a eletrecidade estatica é encontrada em industrias,fabricas de papeis e tecelagens, e alguns equipamentos. A seguir, mostará 2 aplicações da energia estatica no cotidiano.
PINTURA ELETROSTÁTICA
	Orginaram-se na década de 1950, as tintas em pó vieram com o objetivo de oferecer vantagens em relação aos sistemas conhecidos no acabamento de manufaturados industriais. Entre os anos de 1965 e 1967 no mercado europeu, desenvolveram o primeiro revólver para aplicação de tintas em pó sob o efeito de pulverização eletrostática.
	A pintura eletrostática é uma das formas de pintura mais resistente e efetiva existente. Essa pintura é caracterizada pelo um processo diferenciado por meio de cargas elétricas para a fixação da tinta. Constantemente essa pintura é mais aplicada em superfícies metálicas, entretanto ela pode ser utilizada em qualquer material carregado eletricamente. A tinta utilizada se subdivide em três tipos:
Poliéster: Com ótima aderência e dificilmente fica amarelada, utilizada bastante em ambientes externos.
Epóxi: Com grande resistência à corrosão.
Hibrido: Que é a combinação das duas anteriores.
	Na pistola de pintura utilizada, há um compartimento para a tinta em pó, após a colocação do pó, ele carregado eletricamente com cargas oposta as da tinta.Um campo elétrico é formado na região frontal à pistola que por sua vez é descarregado a tinta em pó por meio do eletrodo.Podemos também chamar este campo eletrostático de “Chuva de Íons”, por ter a finalidade de “ionizar” ou “carregar” eletrostaticamente as partículas de tinta que por ele são pulverizada Então, quando a tinta entra em contato com a superfície ocorre a atração entre as cargas opostas fazendo a tinta fixar na superfície. Depois desse processo o material é levado a uma estufa para ganhar perfeita uniformidade na superfície do material.
	As principais vantagens são que a tinta é totalmente ecológica pois não tem solvente, é de fácil aplicação e o resultado de aderência é incrível.
Figura C – Aplicação da pintura eletrostatica
IMPRESSORA A LASER
	O princípio de funcionamento do modelo a laser é a eletricidade estática. Primeiramente uma carga elétrica positiva é aplicada em toda a extensão do cilindro fotorreceptor, que é rotativo. Ele então começa a girar, enquanto o raio laser descarrega pontos específicos correspondentes à imagem ou texto. Dessa forma, o laser cria um desenho eletrostático no cilindro a partir das informações armazenadas na memória da impressora, transmitidas pelo computador.
	É a partir daí que o toner entra. Ele consiste em um pó fino, composto de carbono e polímero, que tem carga elétrica positiva. Por causa disso, ele fica depositado nas áreas descarregadas pelo laser, que têm carga negativa, e é repelido pela área restante, de carga positiva.
FIGURA D – TONER
	Nesse momento o papel sai da bandeja, recebe uma carga negativa mais forte que a da imagem eletrostática e passa pelo cilindro. Ao entrar em contato com a peça, o papel atrai o pó e assim fica com a imagem gravada. O tambor cilíndrico é então descarregado para que o papel não fique preso a ele. 
	Mas a impressão ainda não está concluída. Para que o toner seja fixado ao papel, este precisa passar entre dois outros cilindros, que recebem o nome de fusor. Os rolos são aquecidos, fazendo com que o toner se funda à folha ao passar por eles. O passo final é a folha ir para a bandeja de saída. Neste ponto, o cilindro inicial é totalmente descarregado, ficando pronto para uma próxima impressão 
FIGURA E – Trajeto de uma folha de papel através de uma impressora a laser.